輸電線路除冰技術的研究與發(fā)展

輸電線路除冰技術的研究與發(fā)展

1因災產(chǎn)品致災的500kv線路跳閘和多元由于冬季冰雪，供電線路通常容易造成嚴重的中斷、塔架坍塌、大面積停滯、電網(wǎng)有限等事故。不僅對我國電力系統(tǒng)的安全運行造成了嚴重威脅,也一直是電力系統(tǒng)研究中急待解決的難點問題。據(jù)不完全統(tǒng)計,自上世紀50年代以來,我國輸電線路便不斷遭受覆冰危害。2003年,由覆冰引起的110～500kV輸電線路跳閘79次,占總事故的3.27%,其中500kV線路跳閘13次;由于覆冰引起的110～500kV線路非計劃停運47次,占總事故的4.24%。2004年12月至2005年2月,我國華中電網(wǎng)出現(xiàn)大面積冰災事故,僅湖南省就有700多萬人受災,直接經(jīng)濟損失超過10億元。2008年1月,南方多個省份遭受了50年一遇的冰雪災害,部分地區(qū)的線路覆冰厚度達到40～60mm,遠遠超出了15～20mm的設計值,造成貴州500kV骨干網(wǎng)基本癱瘓,華中、華東電網(wǎng)幾十條500kV線路倒塔、倒桿、解列和停運,最大電力缺口接近4000萬kW。截至2月12日,全國因災停運線路共35968條,停運變電站1731座,110～500kV線路倒塔8709座,全國13個省份拉閘限電,共有17個省級電網(wǎng)電力供應緊張。全國受災人口達1億多,直接經(jīng)濟損失超過1100億元。2導線覆冰事故冬季惡劣氣候條件下輸電線路通常容易大范圍覆冰,導致部分線段覆冰厚度明顯超出其設計標準,致使線路出現(xiàn)較大范圍內(nèi)的冰閃跳閘、導線舞動、相間閃絡、金具損壞、跳閘停電和倒塔斷線等嚴重事故,直接影響輸電網(wǎng)正常運行。導線覆冰的主要危害有:(1)過荷載。即導線覆冰厚的實際重量超過設計值很多,導致架空輸電導線及桿塔載荷過大超出自身機械強度極限最終斷線垮塔。(2)不同期脫冰或不均勻覆冰事故。相鄰檔導線不均勻覆冰或不同期脫冰會產(chǎn)生張力差,使導線在線夾內(nèi)滑動松脫,甚至會因為兩側(cè)水平張力差過大而拉垮桿塔;不同期脫冰會使導線跳躍電氣間隙減小,造成導線相間短路或直接對地短路事故。(3)絕緣子串冰閃事故。絕緣子覆冰或被冰凌橋結(jié)后,絕緣強度下降,泄露距離縮短,融冰時,絕緣子的局部表面電阻增加,形成閃絡事故導致持續(xù)電弧燒傷絕緣子并使其絕緣強度降低。(4)導線覆冰舞動事故。因?qū)Ь€不均勻覆冰,在風的作用下產(chǎn)生舞動,造成金具損壞,導線斷股,相間短路及桿塔傾斜或倒塌等嚴重事故。防止導線覆冰是目前全球電力行業(yè)的技術難題,而采取必要的抗冰措施將增加工程投資。因此,分析覆冰的臨界條件,對于優(yōu)化工程建設具有重要的意義。在導線覆冰過程中,如果捕獲的水滴在其表面完全凍結(jié),則稱為干增長覆冰,生成的冰為霧凇,其粘附力弱,呈放射狀結(jié)晶,密度ρ=0.1～0.3g/cm3;如果捕獲的水滴部分凍結(jié),則為濕增長覆冰,形成的冰為雨凇。雨凇覆冰過程中有未被凍結(jié)的過冷卻水滴,在導線表面形成清澈、光滑、透明并且堅硬,粘附力很強的覆冰,密度ρ>0.8g/cm3,這是最嚴重的一種覆冰形式,因其密度大,對導線產(chǎn)生的機械負荷也最大。導線覆冰開始為濕增長,隨著溫度降低,導線覆冰逐漸向干增長轉(zhuǎn)變。在實際覆冰過程中往往是干、濕增長交替進行,因此導線覆冰大多數(shù)是混合淞。導線覆冰的臨界狀態(tài)為導線表面的溫度為0℃并且水滴在其表面的凍結(jié)系數(shù)(單位時間內(nèi)凍結(jié)在導線表面的水份質(zhì)量與導線捕獲的水份質(zhì)量之比)為0。在覆冰氣象條件下導線不覆冰的最小負荷電流即臨界負荷電流為:i2c=2RR0{WS?2ImcwTa?[hprcv22ca+lmv22]}ic2=2RR0{WS-2ΙmcwΤa-[hprcv22ca+lmv22]}可知覆冰氣象條件下導線不產(chǎn)生覆冰的臨界負荷電流是導線自身物理參數(shù),風速,環(huán)境溫度,氣中液態(tài)水含量和水滴在導線上碰撞系數(shù)等相關參數(shù)的函數(shù)。當氣象條件以及導線參數(shù)確定時,可求出相應臨界負荷電流繼而調(diào)整負荷電流以保證線路不至因覆冰而損壞。3藥物脫冰工藝目前常見的除冰方案有如下幾類:機械除冰法:滑輪刮鏟法是目前唯一可行的輸電線路除冰的機械方法,其過程是由地面工作人員拉動可以在線路上行走的滑輪達到鏟除覆冰的目的。但該方法并不適用于我國西部高海拔、地形復雜地區(qū)。大電流融冰法:主要包括過電流融冰法、短路電流融冰法和直流電流融冰法。此類方法也是目前工程中普遍采用的方案,在實際運用過程中積累了許多寶貴經(jīng)驗。被動法:被動法就是依靠風、地球引力、隨機散射和溫度變化等脫冰的被動方法無需附加能量?，F(xiàn)已經(jīng)在輸電線路上得到應用的有平衡重量、線夾、除冰環(huán)、阻雪環(huán)、憎水憎冰涂料、風力錘等來減少輸電線路的覆冰,安裝防震錘等來減少導線的舞動。被動法有費用低的優(yōu)點,但不能阻止覆冰的形成,而且僅適用于特定的地區(qū)。其他方法:除上述幾種方法外,還有利用電磁脈沖、氣動脈沖、電暈放電、電子凍結(jié)、碰撞前顆粒加熱和凍結(jié)等防冰除冰方法,但很多還處于理想或試驗階段。3.1大電流融化方案(1)提升負荷電流防止線路覆冰相同氣候條件下,重負載線路覆冰較輕或不覆冰,輕載線路覆冰較重,而避雷線與架空地線相對于導線覆冰更多,這一現(xiàn)象與導線通過電流時的焦耳效應有關。對220kV及以上輕載線路線路,可以主要通過科學的調(diào)度,改變電網(wǎng)潮流分配,使線路電流達到覆冰臨界電流以上;110kV及以下變電所間的聯(lián)絡線,可通過調(diào)度讓其帶負荷運行,并達臨界電流以上;其他類型的重要輕載線路,可在線路末端變電所母線上裝設足夠容量的并聯(lián)電容器或電抗器使得功率因數(shù)變得很低,這樣就會大大增加線路無功電流,并且很少消耗有功功率,所消耗的有功功率又主要集中在線路上,達到導線升溫不覆冰的目的。提升負荷電流防止線路覆冰是工程應用中最方便、有效和適用的除冰方法。增大線路傳輸負荷電流優(yōu)點在于無需中斷供電提高電網(wǎng)可靠性,避免非典型運行方式,簡便易行,但是不足之處是無法對避雷線和架空地線上的覆冰進行預防。(2)融冰電流分析短路方案的主要思路是將線路在某處三相短接(不接地),然后在此線路上施加一定電壓,利用短路電流產(chǎn)生熱量進行融冰。根據(jù)短路電流大小來選取合適的短路電壓是短路融冰的重要環(huán)節(jié)。對融冰線路施加融冰電流有兩種方法:即發(fā)電機零起升壓和全電壓沖擊合閘。零起升壓對系統(tǒng)影響不是很大,但沖擊合閘在系統(tǒng)電壓較低、無功備用不足時有可能造成系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故。此方法在相關地區(qū)特別是湖南電網(wǎng)多年以來均投入于實際應用獲得了很多寶貴經(jīng)驗。短路融冰時由于需將包括融冰線路在內(nèi)的所有融冰回路中架空輸電線退出運行,因此會擴大災害影響范圍,對于大截面、雙分裂導線因無法選取融冰電源而難以做到,對500kV線路而言則幾乎不可能。另外,此方案在實際運用中操作復雜,負荷潮流在不同線路之間進行切換轉(zhuǎn)移時不僅要對原有正常工作狀態(tài)下繼電保護參數(shù)從新修訂也容易對較為薄弱的網(wǎng)架產(chǎn)生不利影響,并且在實際運用中對線路覆冰的具體情況很難有實時而準確的掌握,融冰電流大小不易把握,效率與能耗不能兼顧。若為線路長度較短的中低壓電網(wǎng),即使在輸電線路末端三相短路也會因為參數(shù)不易匹配導致電流過大而使電網(wǎng)無法承受。實際工程中針對目前較為普遍使用的35kV電壓等級長度約10km的短線路采用末端三相短路時電流大、設備難以承受和線路溫升較快不易掌握的難題,有電力技術人員根據(jù)現(xiàn)場實際,提出了采用線路每相阻抗串聯(lián)后兩相分別于不同點接地,以大地作為通路,以形成兩相接地短路,為線路提供融冰電流的方案。短線路融冰采用二相串聯(lián)后利用大地作回路,形成兩相接地短路,此法可在線路較短情況下有效降低短路電流,便于線路溫升控制,而不影響融冰效果,安全可靠、簡單易行、可參考于實際運用中。另外特別是針對220kV電網(wǎng)在大面積事故后多條線路已退出運行,網(wǎng)架過于薄弱已無法承受常規(guī)融冰方案對電網(wǎng)的影響,有電力工作者提出通過降低線路融冰的電壓等級,減少所串融冰線路的數(shù)量,從而克服上述缺點,順利實現(xiàn)線路融冰,減少覆冰對電網(wǎng)的影響,并在實際工作中得以運用,獲得理想實際效果。(3)不同長度線路的融冰阻抗匹配由于線路阻抗的感性分量在直流電路中不起作用,因此在實際工程中采用直流電流融冰可大幅降低直流融冰所需的容量,不但提高了直流融冰效率,并且由于直流電壓易于調(diào)節(jié),可通過調(diào)整融冰電壓滿足不同長度線路的融冰要求而不需要進行阻抗匹配。南方電網(wǎng)公司在今年雪災過后編寫的《南方電網(wǎng)應對低溫雨雪等重大自然災害能力專題研究報告》中定量分析了直流融冰法的可行性。因此采用直流電流融冰特別是針對于目前500kV及計劃建設的更高等級直流輸電線路除冰是可行的。但要注意的是由于變壓器線圈對直流電流來講如同短路,所以采用直流電流加熱,需將混合交直流的線路隔離出來,既不影響交流通過的電力電容器,又可避免直流電流通過變壓器產(chǎn)生直流磁化現(xiàn)象。另外直流電源的電力電子元件造價目前較高,相關的加熱融冰兼無功靜止補償技術也尚待進一步研究和完善。3.2低居里點材料防覆冰的機理所謂居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里溫度時為鐵磁體,高于居里溫度時成為順磁體。低居里點鐵磁材料是一種由鐵(Fe),鎳(Ni)、鉻(Cr)以及硅(Si)等按一定比例組成的,具有較低居里溫度的合金材料。其除冰原理如下:防冰低居里點鐵磁器件一般由磁芯和非磁性材料的鋁或者銅覆層兩部分組成,將防冰低居里點鐵磁器件裹在輸電導線表面,輸電線路的交變電流產(chǎn)生一個交變磁場,使裹在外層的鐵磁材料磁芯磁化。當環(huán)境溫度高于居里點時鐵磁材料的磁化率很低,而非鐵磁材料的覆層也不會被交變磁場所磁化,這時磁感應強度B很小,低居里點鐵磁器件產(chǎn)生的能量損耗也很有限;而當環(huán)境溫度低于居里點時,鐵磁材料則具有很大的磁轉(zhuǎn)化率,產(chǎn)生很強的磁感應強度B,從而產(chǎn)生損耗放熱。鐵磁材料防冰器件的熱量損耗主要有三種形式:渦流損耗Pe,磁滯損耗Ph,覆層歐姆損耗PΩ。損耗功率P可以表示為如下:P=Pe+Ph+PΩPe=π3f2lr44ρmB2m?10?16Ph=4πflr2ημmB2mPΩ=2π3f2blr4(2r+b)ρcB2m?10?16Ρ=Ρe+Ρh+ΡΩΡe=π3f2lr44ρmBm2?10-16Ρh=4πflr2ημmBm2ΡΩ=2π3f2blr4(2r+b)ρcBm2?10-16式中:f為交變磁場的頻率,Bm為磁感應強度的幅值,ρm為電磁材料的電阻率,ρc為覆層導電材料的電阻率,μm為鐵磁材料的磁導率,l、r分別為線狀鐵磁材料的長度和半徑,b為覆層導電材料的厚度。由上述方程式可知,P是B2m的函數(shù)。在冰點以上溫度時,由于Bm很小(幾乎為零),所以消耗的功率也接近為零;而在冰點以下時,即使線路傳輸電流較小,Bm也能變得足夠大,防冰器件發(fā)出的功率P能滿足防覆冰的要求。同時,由于鐵磁材料具有磁飽和特性,當電流較大時,也不會產(chǎn)生過剩的消耗。通過使用低居里點材料來破壞導線舞動的生成條件,代表了防覆冰研究的一個新方向,也是一種很有前途的治理舞動的新措施。但是也存在幾點不利因素:首先,由于近年全球鐵、鎳、鉻、硅等原材料價格一直往上攀升,因此在現(xiàn)有材料研究方面尚未有突破的前提下,大規(guī)模應用將導致輸電線路建設預算過于沉重;其次,要提高鐵磁材料的發(fā)熱功率,理論上就得設法增大鐵磁材料的磁感應強度,而目前可以實際應用材料的居里溫度尚不能達到所需要的理想值,其發(fā)熱性能改善和居里溫度的降低兩者之間存在技術沖突。同時,目前的材料在居里點附近也無法達到理想的磁感應強度突變?yōu)榱愕男Ч?而是逐步平滑減少,最后也很難減少至零。因此必然在日常運行中存在一定的能量損耗,不利于電力行業(yè)的經(jīng)濟運行。最后,低居里點材料制造工藝復雜,若以手工方式將居里絲纏繞到架空導線上,工作強度大,施工困難,作業(yè)效率低,難以推廣。因此雖然在國家75期間便已經(jīng)有了相關研究成果,目前仍然有很多技術難點尚待解決。3.3帶負荷集成化線路覆冰國內(nèi)曾研究和試用過復合導線帶負荷自動熔冰裝置,其原理可行,但因技術原因未能推廣應用。該裝置主要由復合導線、覆冰檢測裝置及開關控制裝置3部分組成,其中復合導線是系統(tǒng)的主體,由包覆有交聯(lián)聚乙烯絕緣層的發(fā)熱鋼芯(同時起承力作用)和輸送正常負荷電流的外層鋁股線(或鋁合金股線)絞制而成;覆冰檢測裝置由彈簧、永久磁鐵及干簧管等構(gòu)成,利用重力檢測器檢測導線覆冰時和熔冰后荷重的變化并發(fā)出熔冰信號;開關控制裝置由真空開關、操作機構(gòu)、操作電源、控制及保護裝置等組成,根據(jù)覆冰檢測裝置的信息控制其開合狀態(tài)。無冰狀態(tài)時開關閉合,鋁股與鋼芯并聯(lián)運行,導線處于正常運行狀態(tài);當導線覆冰導致導線荷載達到預警狀態(tài)時,覆冰檢測裝置發(fā)出熔冰信號,真空開關自動斷開,負荷電流全部轉(zhuǎn)移至鋼芯,利用鋼芯的高電阻發(fā)熱達到熔冰目的;冰融化后導線荷載恢復正常,真空開關在覆冰檢測裝置控制下自動閉合,導線恢復正常送電。目前在實際應用方面,寶雞市供電局采用了全國唯一的帶負荷融冰技術,其負責維護的110kV馬向I、II線承擔著對寶成鐵路供電的重要任務。該局于上世紀70年代組成技術攻關組,自主研發(fā)并實施了“帶負荷融化線路覆冰技術”,帶負荷融化線路覆冰技術主要是利用線路本身,通過自耦變壓器升壓后在雙分裂導線形成回路、產(chǎn)生電流,通過導線發(fā)熱自動融化覆冰。其數(shù)據(jù)采集主要由重力傳感器、震動頻率傳感器、風速傳感器、溫濕度傳感器等元器件組成。此系統(tǒng)在2008年春季雪災